Удельные энергозатраты электро-контактно-химической обработки металлов вибрирующим инструментом в электролите

Полный текст

Введение

Удельный расход энергии – один из важных показателей, влияющих на экономичность процесса формообразования. Удельный расход энергии определяют в кВт·час/кг, Дж/см³. В [1; 2] рекомендуют при выявлении закономерностей поведения металлов при различных физических процессах свойства металлов определять на единицу объема.

По этому признаку все процессы формообразования располагаются в трех энергетических уровнях. Первый уровень включает процессы, при осуществлении которых необходим минимум энергии для нарушения сил связи только между частью атомов или молекул тела. Этот уровень простирается до энергии плав­ления металлов (табл. 1), т. е. примерно до 10⁴ Дж/см³ [3].

Второй уровень включает процессы, требующие затрат энергии для нарушения связей между всеми атомами и молекулами тела. Для этого условия характерным процессом является литьё. Непонятно, почему развёртывание и шлифование расположены в этом уровне, ведь там не происходит нарушение связей между всеми атомами и молекулами. Удаление металла происходит в виде стружки [4]. Второй энергетический уровень расположен между энергией плавления 10⁴ Дж/см³ и энергией испарения метал­лов 6×10⁴ Дж/см³.

 

Таблица 1 . Энергетические уровни процессов формообразования

Энергетический уровень	Способ формообразования	Удельный расход энергии, Дж/см3
I	Холодное деформирование	1×101-4×101
	Штамповка	2×101-6,5×101
	Холодное выдавливание	5,5×102-8,5×102
	Точение	1,7×103-2,5×103
	Протягивание	2,5×103-3,7×103
	Фрезерование	5×103-7,5×103
II	Горячее деформирование	9×103-3,4×104
	Литье	1,4×104-2,5×104
	Развертывание	1,2×104-3×104
	Шлифование	5,5×104-7×104

Окончание табл. 1

Энергетический уровень	Способ формообразования	Удельный расход энергии, Дж/см3
III	Размерная ЭХО	4,25×105-4,35×105
	Обработка:
	анодно-механическая	1,7×105-5,2×105
	электроконтактная	2,3×105-4,6×105
	электроимпульсная	3,5×105-7,1×105
	электроискровая	1,1×106-2,9×106
	ультразвуковая	6×105-3,6×106
	светолучевая	2,8×107-4,7×107

 

В третьем энергетическом уровне расположены процессы, при осуществлении которых необходима энергия для пол­ного разрушения сил связи между всеми атомами или мо­лекулами тела. Характерными для этого уровня являются электрохимическая размерная обработка (ЭХРО), электроискровая и электроимпульсная обработки, обра­ботка электронным и световым лучами. Этот уровень распол­­ожен выше энергии испарения металлов, т. е. выше 6×10⁴ Дж/см³.

С ростом твердости и прочности материалов растут затраты энергии (рис. 1) [4], снижается производительность обработки. Современные металлы и сплавы имеют предел прочности более 200 МПа, поэтому вполне оправданы высокие энергозатраты электрообработки, так как другие способы формообразования становятся неконкурентоспособными по производительности.

 

Рис. 1. Энергоёмкость некоторых видов обработки: 1 - обработка лезвийным инструментом; 2 - шлифование; 3 - электроим­пульсная; 4 – ЭХО

 Fig. 1. Energy intensity of some types of processing: 1 – blade tool processing; 2 – grinding; 3 – electric pulse; 4 – EKHO

 

Анализ

Данные, приведенные в работах [4–6] и табл. 1–3, не согласуются со значениями удельного расхода энергии при электрохимической обработке, представленными авторами [7; 8] (табл. 4). По мнению этих авторов, затраты при электрохимической обработке в 9-40 раз больше, чем при электроконтактной обработке. Из табл. 1 и 2 видно, что удельные расходы энергии электроконтактной и электрохимической обработок соизмеримы, что не соответствует действительности, так как удаление металла с обрабатываемой поверхности происходит разными размерами частиц: в первом случае – в виде капель расплавленного металла, во втором – в виде ионов металлов.

Подробные показатели разновидностей электрофизических способов обработки приведены в справочнике [6], табл. 3.

 

Таблица 2. Удельный расход энергии электрических методов обработки

№ п/п	Вид обработки	Удельный расход энергии, Дж/см3*105
1	Электроискровая	11–29
2	Электроимпульсная	3,5–7,1
3	Электрохимическая	4–6
4	Электроконтактная	2,3–4,6

 

Таблица 3. Основные показатели электрофизических способов обработки металлов

Вид обработки	Средняя удельная производительность, см3/с	Средний удельный расход энергии, Дж/см3
Электроискровая: черновая чистовая прецизионная	9,3 ·10–3–1 · 10–2 8 ·10–4–1,6 · 10–3 1,7 ·10–6–1,7 · 10–5	(4,3–7,2) · 105 (1,4–2,0) · 106 (2,0–2,5) · 106
Электроимпульсная: черновая чистовая	1,7 ·10–2–1,8 · 10–1 8 ·10–4–8 · 10–3	(3,5–7,1) · 105 (2,6–5,8) · 105
Электроконтактная: разрезание точение обдирка прошивание	1,6 ·10–2–1,3 · 10–1 1,6 ·10–2–6,5 · 10–1 15–17 8,3 ·10–3–2,5 · 10–2	(0,3–1,2) · 105 (1,2–1,4) · 105 (2,3–4,6) · 105 (0,12–5,8) · 104

 

В табл. 3 вызывают сомнение удельные расходы энергии при электроконтактном прошивании отверстий, которые на порядок меньше, чем остальные виды этой обработки. При электроконтактном прошивании удаление продуктов эрозии из отверстий затруднено, поэтому требуются дополнительные траты энергии.

 

Таблица 4. Удельный расход энергии некоторых электрических методов обработки

№ п/п	Обработка	Удельный расход энергии, Дж/см3*105
1	Электрохимическая	2,52–5,61[5]; 5,61–11,2[6]
2	Электроэрозионная	1,68–3,36
3	Электроконтактная	0,28–0,56

 

Более полные данные по удельным энергозатратам электрохимической обработки в кВт*час/кг имеются в справочнике [9]. С учётом плотности металлов произведён расчёт энергозатрат на единицу объёма обрабатываемого материала. В табл. 5 приведены результаты расчётов удельных энергозатрат для некоторых металлов.

 

Таблица 5. Удельные энергозатраты электрохимической размерной обработки металлов  в водных растворах нейтральных солей, Дж/см³ 10⁵

Металл	25%NaCl	30%NaNO3	15%Na2SO4
Сталь У10	1,96	6,44	70,84
Сталь 35ХГС	3,28	3,84	28,03
Сталь 4Х5В2ФС	3,12	4,37	34
Алюминий	1,55	1,94	65,5
Никель	2,14	22,3	39,2
Титановый сплав ВТ8	3,49	5,33	258

 

Из табл. 5 следует, что наименьшие удельные энергозатраты характерны для электрохимической обработки в водном растворе хлорида натрия. Это объясняется наличием в электролите активирующего аниона хлора, который способствует образованию промежуточных комплексных соединений [10]. При электрохимической обработке в водном растворе сульфата натрия удельные энергозатраты увеличиваются в 10–15 раз, что объясняется пассивацией анода [11]. Это явление особенно характерно при обработке титанового сплава ВТ8, так как титан активный металл, его стандартный электродный потенциал равен  –1,2 В [12] и на его поверхности всегда присутствует окисная плёнка.

Методика

Экспериментальные исследования проводились на установке электрообработки с линейным электродинамическим двигателем, описанной в сборнике научных трудов [13]. Для крепления электрода-инструмента было изготовлено приспособление, обеспечивающее проток воды (слабый электролит) через межэлектродный зазор. Методика экспериментальных исследований изложена в работе [14]. Обрабатываемый металл-сталь ХВГ. Однако в этой статье не приведена методика расчёта удельных энергозатрат электро-контактно-химической обработки металлов в электролите по осциллограммам процесса.

 

Рис. 2. Осциллограмма напряжения и тока ЭКХО

Fig. 2. Oscillogram of the voltage and current of the ECHO

 

Расчет удельного расхода энергии по осциллограмме. Типичная осциллограмма тока, напряжения и межэлектродного зазора при электро-контактно-химической обработке вибрирующим электродом-инструментом в воде приведена на рис. 9. Данные получены при среднем напряжениина электродах 16,7 В, амплитуде колебаний инструмента 0,75 мм. При амплитуде колебаний 0,25 мм и средней скорости потока воды в межэлектродном зазоре 1 м/с и менее наблюдается осциллограмма тока и напряжения, характерная для размерной обработки дугой [15; 16].

Осциллограмма разбивается на участки I, II, III, IV. Участок I – это предпробойный период – время образования стримера – канала разряда. Участок II – пробой межэлектродного промежутка, III – контакт электродов, IV – период, когда ток обусловлен анодным растворением обрабатываемого металла (электрохимическая обработка). Определяется площадь каждого треугольника, тем самым будет известно количество электричества, прошедшее в каждый период (участки I – IV). Далее по осциллограмме определяется среднее значение напряжения на каждом участке.

Для участка I имеем

$q_I=\frac{1}{2}{h}_I{a}_I{M}_I{M}_{\tau }$,

где $h_I$ – высота треугольника участка I; $a_I$ – длина основания треугольника участка I; $M_I$ – масштаб тока, $M_I$ = 2,5А/мм; $M_{\tau }$ – масштаб времени, $M_{\tau }$ = 0,48 мс/мм.

После расчета количества электричества для всех участков получаем:

$q_I=\mathrm{56,25}\cdot {10}^{-3}$ Кл; $q_{II}=\mathrm{76,6}\cdot {10}^{-3}$ Кл;

$q_{III}=600\cdot {10}^{-3}$ Кл; $q_{IV}=162\cdot {10}^{-3}$ Кл.

Среднее напряжение на участках:

$U_I=\mathrm{24,3}$ В;  $U_{II}=\mathrm{17,5}$ В;  $U_{III}=\mathrm{11,3}$ В;  $U_{IV}=\mathrm{25,7}$ В.

Энергия импульса на участках:

$Q_I=\mathrm{1,351}$ Дж;  $Q_{II}=\mathrm{1,348}$ Дж;  $Q_{III}=\mathrm{6,78}$ Дж;  $Q_{IV}=\mathrm{4,155}$ Дж.

С учётом частоты колебаний электрода-инструмента (50 Гц), времени обработки и объёма удалённого металла удельные энергозатраты определяются

W = [(Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄) * f * t] / V,

где f – частота колебаний, с^–1; t – время обработки, с; V – объём удалённого металла, см³.

Удельный расход энергии составляет W = (3,5–3,8)·10⁵Дж/см³.

Кроме затрат электрической энергии, расходуемой на процесс электрообработки, необходимо учитывать затраты энергии на вибрацию электрода-инструмента. Эта энергия определяется по известной формуле:

W_в = m * f ² * A²,

где m – масса электрода-инструмента с приспособлением для его закрепления, кг; A – амплитуда вибрации электрода-инструмента, м. После подстановки данных в вышеприведённую формулу получается, что энергозатраты на вибрацию электрода-инструмента на порядок меньше, чем на процессы электро-контактно-химической обработки.

 Заключение

При выборе метода обработки металлов и сплавов важным показателем являются удельные энергозатраты. Для материалов, труднообрабатываемых механическими способами, альтернативой являются методы электрообработки. Анализ литературных данных показал, что показатели по удельным энергозатратам противоречивые, а для комбинированного электро-контактно-химического способа обработки вибрирующим электродом в воде эта характеристика практически отсутствует. Расчёт по осциллограммам процесса показывает, что удельные энергозатраты электро-контактно-химической обработки вибрирующим электродом в воде соответствуют электроэрозионной обработке и электрохимической обработке в водном растворе хлорида натрия или нитрата натрия. При электро-контактно-химической обработке в водном растворе вышеуказанных солей следует ожидать снижение удельных энергозатрат, так как уменьшаются потери энергии на нагрев электролита в связи с уменьшением его электрического сопротивления, а ионы хлора и нитрата снижают энергию активации обрабатываемого металла.

Об авторах

Иван Яковлевич Шестаков

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Автор, ответственный за переписку.
Email: yakovlevish@mail.ru

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры электронной техники и телекоммуникаций

Россия, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский Рабочий», 31

Владислав Иванович Шестаков

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Email: pn3vm4t@gmail.com

аспирант кафедры технического регулирования и метрологии

Россия, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский Рабочий», 31

Иван Васильевич Трифанов

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Email: sibgau-uks@mail.ru

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технического регулирования и метрологии

Россия, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский Рабочий», 31

Игорь Анатольевич Ремизов

Сибирский федеральный университет

Email: 2remizov@mail.ru

кандидат физико-математических наук, доцент кафедры технической механики

Россия, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79

Список литературы

Дополнительные файлы